PHOTOSYSTEME: KOMPONENTEN, BETRIEB UND TYPEN - BIOLOGIE - 2025

Die Photosysteme sind funktionale Einheiten des Photosyntheseprozesses. Sie werden durch ihre Assoziationsformen und die besondere Organisation von photosynthetischen Pigmenten und Proteinkomplexen definiert, die in der Lage sind, Lichtenergie in einem Prozess zu absorbieren und umzuwandeln, bei dem Elektronen übertragen werden.

Es sind zwei Arten von Photosystemen bekannt, die aufgrund der Reihenfolge, in der sie entdeckt wurden, als Photosysteme I und II bezeichnet werden. Das Photosystem I weist im Vergleich zur Menge an Chlorophyll b sehr hohe Mengen an Chlorophyll a auf, während das Photosystem II sehr ähnliche Mengen an beiden photosynthetischen Pigmenten aufweist.

Photosystem I Diagramm. Entnommen und bearbeitet von: Pisum.

Photosysteme befinden sich in den Thylakoidmembranen von photosynthetischen Organismen wie Pflanzen und Algen. Sie können auch in Cyanobakterien gefunden werden.

Chloroplasten

Chloroplasten sind kugelförmige oder längliche Organellen mit einem Durchmesser von etwa 5 um, die photosynthetische Pigmente enthalten. Im Inneren findet die Photosynthese in Pflanzenzellen statt.

Sie sind von zwei äußeren Membranen umgeben und enthalten innen sackartige Strukturen, die ebenfalls von zwei Membranen umgeben sind, die als Thylakoide bezeichnet werden.

Die Thylakoide sind gestapelt und bilden eine Gruppe, die den Namen Grana erhält, während die Flüssigkeit, die die Thylakoide umgibt, als Stroma bezeichnet wird. Zusätzlich sind die Thylakoide von einer Membran umgeben, die als Lumen bezeichnet wird und den intrathylakoiden Raum begrenzt.

Die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie während der Photosynthese erfolgt in den Membranen von Thylakoiden. Andererseits erfolgt die Produktion und Speicherung von Kohlenhydraten infolge der Photosynthese in den Stromas.

Photosynthetische Pigmente

Sie sind Proteine, die Lichtenergie absorbieren können, um sie während des Photosyntheseprozesses zu nutzen. Sie sind ganz oder teilweise an die Thylakoidmembran gebunden. Das Pigment, das direkt an den Lichtreaktionen der Photosynthese beteiligt ist, ist Chlorophyll.

Es gibt zwei Haupttypen von Chlorophyll in Pflanzen, die Chlorophylle a und b. In einigen Algen können jedoch andere Arten von Chlorophyll wie c und d vorhanden sein, wobei letztere nur in einigen Rotalgen vorhanden sind.

Es gibt andere photosynthetische Pigmente wie Carotine und Xanthophylle, die zusammen Carotinoide bilden. Diese Pigmente sind Isoprenoide, die im Allgemeinen aus vierzig Kohlenstoffatomen bestehen. Carotine sind nicht sauerstoffhaltige Caroteinoide, während Xanthophylle sauerstoffhaltige Pigmente sind.

In Pflanzen ist nur Chlorophyll a direkt an Lichtreaktionen beteiligt. Die verbleibenden Pigmente absorbieren nicht direkt Lichtenergie, sondern wirken als Zusatzpigmente, indem sie die vom Licht eingefangene Energie auf Chlorophyll a übertragen. Auf diese Weise wird mehr Energie eingefangen, als das Chlorophyll allein einfangen könnte.

Photosynthese

Die Photosynthese ist ein biologischer Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und einige Bakterien die Energie des Sonnenlichts nutzen können. Durch diesen Prozess nutzen Pflanzen Lichtenergie, um atmosphärisches Kohlendioxid und Wasser aus dem Boden in Glukose und Sauerstoff umzuwandeln.

Licht verursacht eine komplexe Reihe von Oxidations- und Reduktionsreaktionen, die die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie ermöglichen, die zur Vervollständigung des Photosyntheseprozesses erforderlich ist. Photosysteme sind die funktionalen Einheiten dieses Prozesses.

Komponenten von Photosystemen

Antennenkomplex

Es besteht aus einer großen Anzahl von Pigmenten, einschließlich Hunderten von Chlorophyllmolekülen und noch größeren Mengen an akzessorischen Pigmenten sowie Phycobilinen. Durch die komplexe Antenne kann eine große Energiemenge absorbiert werden.

Es funktioniert wie ein Trichter oder eine Antenne (daher der Name), die die Energie der Sonne aufnimmt und in chemische Energie umwandelt, die an das Reaktionszentrum übertragen wird.

Dank der Energieübertragung erhält das Chlorophyll, ein Molekül im Reaktionszentrum, viel mehr Lichtenergie, als es allein aufgenommen hätte. Wenn das Chlorophyllmolekül zu viel Licht erhält, könnte es photooxidieren und die Pflanze würde sterben.

Reaktionszentrum

Es ist ein Komplex aus Chlorophyll-a-Molekülen, einem als Primärelektronenrezeptor bekannten Molekül und zahlreichen sie umgebenden Proteinuntereinheiten.

Funktion

Im Allgemeinen empfängt das im Reaktionszentrum vorhandene Chlorophyllmolekül a, das die Lichtreaktionen der Photosynthese initiiert, keine Photonen direkt. Die akzessorischen Pigmente sowie einige im Antennenkomplex vorhandene Chlorophyll-a-Moleküle empfangen die Lichtenergie, verwenden sie jedoch nicht direkt.

Diese vom Antennenkomplex absorbierte Energie wird auf das Chlorophyll a des Reaktionszentrums übertragen. Jedes Mal, wenn ein Chlorophyll eines Moleküls aktiviert wird, setzt es ein angeregtes Elektron frei, das dann vom primären Elektronenrezeptor absorbiert wird.

Infolgedessen wird der primäre Akzeptor reduziert, während Chlorophyll a sein Elektron dank Wasser zurückgewinnt, das als endgültiger Elektronenfreisetzer fungiert und Sauerstoff als Nebenprodukt erhalten wird.

Typen

Photosystem I.

Es befindet sich auf der äußeren Oberfläche der Thylakoidmembran und enthält neben Chlorophyll a und Carotinoiden nur wenig Chlorophyll b.

Chlorophyll a im Reaktionszentrum absorbiert Wellenlängen von 700 Nanometern (nm) besser, weshalb es als P700 (Pigment 700) bezeichnet wird.

Im Photosystem I fungiert eine Gruppe von Proteinen aus der Ferrodoxin-Gruppe - Eisensulfid - als endgültige Elektronenakzeptoren.

Photosystem II

Es wirkt zuerst bei der Umwandlung von Licht in Photosynthese, wurde jedoch nach dem ersten Photosystem entdeckt. Es befindet sich auf der inneren Oberfläche der Thylakoidmembran und enthält mehr Chlorophyll b als Photosystem I. Es enthält auch Chlorophyll a, Phycobiline und Xanthophylle.

In diesem Fall absorbiert das Chlorophyll a im Reaktionszentrum die Wellenlänge von 680 nm (P680) besser und nicht die Wellenlänge von 700 nm wie im vorherigen Fall. Der letzte Elektronenakzeptor in diesem Photosystem ist ein Chinon.

Photosystem II Diagramm. Entnommen und bearbeitet von: Originalarbeit von Kaidor. .

Beziehung zwischen den Photosystemen I und II

Der Photosynthesevorgang erfordert beide Photosysteme. Das erste Photosystem, das wirkt, ist das II, das Licht absorbiert und so die Elektronen im Chlorophyll des Reaktionszentrums angeregt und von den primären Elektronenakzeptoren eingefangen wird.

Durch Licht angeregte Elektronen wandern über eine in der Thylakoidmembran befindliche Elektronentransportkette zum Photosystem I. Diese Verschiebung verursacht einen Energieabfall, der den Transport von Wasserstoffionen (H +) durch die Membran zum Lumen der Thylakoide ermöglicht.

Der Transport von Wasserstoffionen liefert ein Energiedifferential zwischen dem Lumenraum der Thylakoide und dem Chloroplastenstroma, das zur Erzeugung von ATP dient.

Das Chlorophyll im Reaktionszentrum des Photosystems I empfängt das vom Photosystem II kommende Elektron. Das Elektron kann im zyklischen Elektronentransport um das Photosystem I fortgesetzt werden oder zur Bildung von NADPH verwendet werden, das dann zum Calvin-Zyklus transportiert wird.

Verweise

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